在一些電力電子應(yīng)用場(chǎng)合，不僅需要高壓IGBT模塊有優(yōu)異的性能，還需要具有相當(dāng)高的可靠性；為了滿足實(shí)際需求，希望高壓IGBT模塊的壽命能達(dá)到30年，所以，高壓IGBT模塊的壽命預(yù)估非常重要。以前，盡管我們都知道濕度會(huì)對(duì)高壓IGBT模塊的壽命產(chǎn)生很大影響，但是沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的壽命預(yù)估模型把濕度因素考慮進(jìn)來(lái)。三菱電機(jī)持續(xù)研究濕度對(duì)高壓IGBT模塊可靠性的影響，從而得到新的高壓IGBT模塊的壽命預(yù)估模型，通過(guò)這個(gè)模型來(lái)預(yù)估高壓IGBT的壽命。同時(shí)，三菱電機(jī)通過(guò)采用SCC(Surface Charge Control)技術(shù)開(kāi)發(fā)了新一代高壓IGBT模塊，具有抵御高濕度的能力。

 

 

失效機(jī)理

 

三菱電機(jī)對(duì)濕度引起的失效模式進(jìn)行了研究。高濕引起高壓IGBT模塊的失效機(jī)理詳見(jiàn)PCIM 2015論文[2]。

 

 

一般來(lái)說(shuō)，擊穿電壓會(huì)隨著IGBT芯片邊緣電荷量QSS的增加而降低。圖1為6.5kV 高壓IGBT芯片的擊穿電壓隨著QSS變化的曲線圖。高濕度工況下的失效機(jī)理如下所述。

 

當(dāng)給集電極和發(fā)射極之間施加電壓，高壓IGBT內(nèi)部的凝膠會(huì)被電極化，芯片的邊緣會(huì)累積電荷QSS，同時(shí)，凝膠中的濕氣會(huì)加速電荷的集聚，此時(shí)，其擊穿電壓在高濕環(huán)境下會(huì)下降。所以濕度和電壓會(huì)加速I(mǎi)GBT模塊的退化，同時(shí)溫度也會(huì)加速I(mǎi)GBT模塊的退化。

 

三菱電機(jī)通過(guò)采用新的IGBT芯片邊緣技術(shù)SCC（Surface Charge Control）提高了高壓IGBT模塊在抵御高濕度方面的魯棒性。

 

為了抑制IGBT芯片邊緣電荷集聚，SCC技術(shù)采用了優(yōu)化的半絕緣性材料替代傳統(tǒng)的絕緣材料，這個(gè)半絕緣性層為集聚的載流子提供了通路，如圖3所示，在高濕工況下，產(chǎn)生的載流子會(huì)通過(guò)半絕緣層傳遞出去，避免了電荷的大量集聚。

 

 

C. Zorn介紹了考慮濕度、溫度和電壓的加速模型[1]。

 

 

公式中，αf為測(cè)試的加速因子，也就是加速（后綴為a）測(cè)試條件下MTTF（Mean Time To Failures，平均無(wú)故障時(shí)間）與參考（后綴為u）測(cè)試條件下MTTF之比。EA是活化能，在0.79eV和0.95eV之間，k為玻爾茲曼常數(shù)。指數(shù)x為相對(duì)濕度的影響，指數(shù)y為電壓的影響，都是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是必須通過(guò)實(shí)際評(píng)估來(lái)確認(rèn)。我們把此加速模型擴(kuò)展到壽命預(yù)估模型中。

 

濕度的壽命模型為：

 

 

濕度加速因子：

 

 

溫度加速因子：

 

 

電壓加速因子：

 

 

其中：LTb:在參考條件下的基本壽命；

 

RH[%]: 用于壽命計(jì)算的外界環(huán)境相對(duì)濕度；

 

T[℃]:用于壽命計(jì)算的外界環(huán)境溫度；

 

V[V]:用于壽命計(jì)算的電壓；

 

參考條件下的相對(duì)濕度為：RHu=75%。

 

參考條件下的環(huán)境溫度為：Tu=25℃。

 

參考條件下的電壓為：Vu=1500V。

 

相對(duì)濕度的經(jīng)驗(yàn)影響因子為x。

 

電壓的經(jīng)驗(yàn)影響因子為y。

 

活化能EA=0.79eV。

 

玻爾茲曼常數(shù)k=8.62×10-5eV/K。

 

LT是考慮濕度、溫度和電壓的預(yù)估壽命，公式中的參數(shù)，LTb是參考條件下的基本壽命，與每個(gè)高壓IGBT模塊的結(jié)構(gòu)相關(guān)，濕度加速因子πH，溫度加速因子πT，電壓加速因子πV，其它的參數(shù)來(lái)自加速模型。在此壽命估算模型中，活化能EA定義為最小值0.79eV。同時(shí)，參考條件，RHu=75%和Tu=25℃是東京8月份的平均環(huán)境條件。除此之外，Vu=1500V為直流網(wǎng)壓。

 

 

3.3kV高壓IGBT的溫濕反偏試驗(yàn)是在以下三個(gè)條件下測(cè)試：測(cè)試條件A（Ta=85℃，相對(duì)濕度=85%， VCE=2800V），測(cè)試條件B（Ta=85℃，相對(duì)濕度=95%， VCE=2800V），測(cè)試條件C（Ta=85℃，相對(duì)濕度=95%， VCE=2000V），測(cè)試結(jié)果如圖4，圖5和圖6所示。

 

根據(jù)失效機(jī)理，濕度引起的失效應(yīng)該在芯片的邊緣區(qū)域。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的失效點(diǎn)，同樣在芯片的邊緣，如圖7所示。

 

 

 

 

如圖4所示，在測(cè)試條件A的平均壽命為3023個(gè)小時(shí)。同樣，如圖5所示，在測(cè)試條件B的平均壽命為309個(gè)小時(shí)。所以，從相對(duì)濕度85%到相對(duì)濕度95%，加速因子αf_A-B通過(guò)計(jì)算為3023/309=9.78。相對(duì)濕度的經(jīng)驗(yàn)影響因子x通過(guò)下式計(jì)算：

 

 

這里RHa_testB=95%, RHa_testA=85%, 所以上式的計(jì)算結(jié)果x=20.5。

 

如圖5所示，在測(cè)試條件B的平均壽命為309個(gè)小時(shí)。同樣，如圖6所示，在測(cè)試條件C的平均壽命為490個(gè)小時(shí)。所以，從電壓2000V到電壓2800V，加速因子αf_C-B通過(guò)計(jì)算為490/309=1.59。電壓的經(jīng)驗(yàn)影響因子y通過(guò)下式計(jì)算：

 

 

這里Va_testB=2800V, Va_testC=2000V,, 所以上式的計(jì)算結(jié)果y=1.37。

 

 

 

這里，參考條件定義為RHu=75%，Tu=25℃和Vu=1500V。通過(guò)公式（1），可以得到測(cè)試條件A中的加速因子αf_A為5.31k，測(cè)試條件B中的加速因子αf_B為52.0k，測(cè)試條件C中的加速因子αf_B為32.8k。綜合這些加速因子，溫濕反偏試驗(yàn)測(cè)試A、測(cè)試B和測(cè)試C轉(zhuǎn)換為如表1、表2和表3所示的參考條件。

 

 

以上失效點(diǎn)集成為圖8所示的威布爾曲線圖，從圖中可以得到，在參考條件下F(t)=10%的壽命為1210年。同時(shí)，在此威布爾分析中，排除了最大點(diǎn)和最小點(diǎn)。所以，在參考條件下，3.3kV IGBT的壽命LTb=1210年。

 

 

所有參數(shù)通過(guò)溫濕反偏試驗(yàn)A、試驗(yàn)B和試驗(yàn)C得到確認(rèn)。所以新的壽命預(yù)估模型如下：

 

濕度加速因子：

 

 

溫度加速因子：

 

 

電壓加速因子：

 

 

LTb=1210年，Tu=25℃，Vu=1500V，x=20.5，y=1.37，EA=0.79eV，k=8.62×10-5 eV/K

 

新的壽命預(yù)估模型僅考慮了濕度引起的失效，但是在實(shí)際運(yùn)行時(shí)必須考慮除了濕度以外其它因素引起的失效。

 

 

通過(guò)以上壽命預(yù)估模型，可以預(yù)估3.3kV IGBT在不同工況下的壽命。圖9展示了壽命預(yù)估結(jié)果，包含了在直流1500V下1年、30年和1000年的溫度濕度矯正曲線。通過(guò)這些曲線，我們可以看到3.3kV IGBT有足夠強(qiáng)的抵御濕度能力。

 

 

從上圖可以看出，相對(duì)濕度增加11%或者溫度增加40℃，都會(huì)造成壽命從1000年減為30年，所以，相對(duì)來(lái)說(shuō)，相對(duì)濕度的影響比溫度影響更大。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)變流器內(nèi)部升溫時(shí)，絕對(duì)濕度會(huì)保持不變。如果環(huán)境條件從溫度38.9℃、相對(duì)濕度83.0%變?yōu)闇囟?2.6℃、相對(duì)濕度68.8%，但是絕對(duì)濕度值保持40g/m3，壽命會(huì)從30年增加到1000年。所以，預(yù)加熱是一種非常有效的抑制濕度失效的方法。

 

當(dāng)然，1000年的計(jì)算值僅僅是考慮濕度情況下的壽命，如果考慮上其它因素，比如溫度循環(huán)壽命等，IGBT模塊實(shí)際壽命在實(shí)際中并沒(méi)有這么長(zhǎng)。

 

同時(shí)，以上壽命預(yù)估模型是基于溫濕反偏試驗(yàn)，所以沒(méi)有考慮溫度快速變化的情況。特別當(dāng)快速冷卻會(huì)造成凝露，比高濕工況更加嚴(yán)酷。在實(shí)際工況中，這種溫度快速變化的工況也應(yīng)該考慮。為了防止凝露，同樣的，預(yù)加熱是一種有效的手段。

 

 

本文介紹了考慮濕度影響的壽命預(yù)估模型。通過(guò)這個(gè)模型，得到了1500V情況下的1年、30年和1000年的溫度濕度矯正曲線，并且確認(rèn)了3.3kV IGBT模塊具有足夠的抑制濕度失效的能力。

 

同時(shí)，本文確定了高濕會(huì)對(duì)高壓IGBT模塊的壽命產(chǎn)生很大的影響，所以如果變流器在高濕工況下時(shí)，必須考慮濕度帶來(lái)的影響。預(yù)加熱是一種非常有效的抑制濕度失效的方法。

 

 

[1]Christian Zorn, Nando Kaminski, “Acceleration of Temperature Humidity Bias(THB) Testing on IGBT Modules by High Bias Levels,” 2015 IEEE

 

[2]N. Tanaka, et al., “Robust HVIGBT Modules Design against High Humidity,” PCIM Europe2015

 

[3]Shigeto Honda, Tatsuo Harada, Akito Nishii, Ze Chen, Kazuhiro Shimizu, “HighVoltage Device Edge Termination for Wide Temperature Range plus Humidity withSurface Charge Control (SCC) Technology,” ISPSD 2016.

推薦閱讀：
MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻如何優(yōu)化設(shè)計(jì)？
瑞薩電子攜其最新解決方案亮相2018上海慕尼黑電子展 
Vishay在ELECRAMA 2018印度展上舉辦“World of Solutions”主題展